JP6458563B2

JP6458563B2 - ヒートポンプサイクル装置

Info

Publication number: JP6458563B2
Application number: JP2015046754A
Authority: JP
Inventors: 将典野口; 博安孫子
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-03-10
Also published as: JP2016166706A

Description

本発明は、ヒートポンプサイクル装置に係わり、詳細には、圧縮機の中間圧力部に液冷媒のインジェクションが行えるヒートポンプサイクル装置に関する。

従来、ヒートポンプサイクル装置としては、空気調和機が代表的な装置であり、圧縮機の吐出冷媒温度の上昇を抑制するために、圧縮機の中間圧力部に液冷媒をインジェクション（以下、液インジェクションと記載）するインジェクション回路を備えたものが提案されている（例えば、特許文献１）。

特許文献１に開示されているヒートポンプサイクル装置の一種であるヒートポンプ式加熱装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とが順次冷媒配管で接続された冷媒回路を備える。この冷媒回路には、凝縮器と蒸発器を接続する冷媒配管と圧縮機の中間圧力部を接続するインジェクション配管と、インジェクション膨張弁を備えたインジェクション回路が設けられている。そして、インジェクション配管の一部が蒸発器に配置され、インジェクション回路を流れる冷媒は蒸発器において外気と熱交換を行なって冷却されている。

一方、ヒートポンプサイクル装置の１つであり、ヒートポンプ式温冷水空気調和機やヒートポンプ式給湯装置等、凝縮器が水と冷媒との熱交換を行う水冷媒熱交換器であり、水と冷媒との熱交換により温水を生成するヒートポンプサイクル装置が存在する。このようなヒートポンプサイクル装置においても、圧縮機に液インジェクションを行うために上述したインジェクション回路を設けたものが提案されている。

上記のようなヒートポンプサイクル装置は、水冷媒熱交換器から流出する水の温度（往き温度）を高くしようとする程圧縮機の回転数を上昇させるために、圧縮機の吐出冷媒温度が上昇する。そして、吐出冷媒温度が圧縮機の吐出冷媒温度の上限値（圧縮機の製造業者が性能を保証できる上限値として定めたもの）を超えると、吐出冷媒温度保護制御が働いて圧縮機が停止する。圧縮機が停止した後、吐出冷媒温度が所定温度（例えば、吐出冷媒温度の上限値よりも５℃低い温度）以下に低下したら、吐出冷媒温度保護制御が解除されて圧縮機は再起動する。圧縮機の回転数が上昇して高回転数になれば、吐出冷媒温度保護制御の実行／解除により、圧縮機の停止／再起動が頻繁に繰り返されて、安定したヒートポンプサイクル装置の運転が行えない恐れがある。

インジェクション回路を備えたヒートポンプサイクル装置は、インジェクション膨張弁を開いてインジェクション配管に水冷媒熱交換器で凝縮した液冷媒の一部を流し、蒸発器で冷却された冷媒を圧縮機の中間圧力部に注入することによって圧縮機内部を冷却することができる。これにより、圧縮機の吐出冷媒温度上昇を抑制できるので、吐出冷媒温度保護制御の実行／解除によって頻繁に圧縮機が停止／再起動することを防ぎ、ヒートポンプサイクル装置の運転を安定して行える。

特開２０１３−２０４８５１号公報

ヒートポンプ式加熱装置において、例えば、貯湯タンクに溜められるお湯を高温（例えば、９０℃）にする場合や、断熱性の低い家屋に設置されたラジエターなどの暖房ユニットで必要とされる暖房能力を発揮するために高温のお湯を暖房ユニットに流す場合は、水冷媒熱交換器から流出する水の温度（往き温度）を高温にすることがある。これらの場合、圧縮機は非常に高い回転数（例えば、１２０ｒｐｓ）で駆動され、これに応じて吐出冷媒温度も高くなる。特許文献１に記載されているように、インジェクション配管の一部が蒸発器に配置されているインジェクション回路を備えたヒートポンプサイクル装置では、インジェクション回路内を流れる冷媒は外気と熱交換して冷却されるが、上述した高温の給湯が必要な場合は吐出冷媒温度を十分に低下させることができず、吐出冷媒温度が圧縮機の吐出冷媒温度の上限値を超えて吐出冷媒温度保護制御が働くおそれがあった。

そこで、本発明は、吐出冷媒温度の過昇を抑制するヒートポンプサイクル装置を提供することを目的とする。

本発明は上述の課題を解決するものであって、本発明のヒートポンプサイクル装置は、圧縮機と、利用側熱交換器と、第１膨張弁と、熱源側熱交換器とを順次冷媒配管で接続した冷媒回路と、一端が冷媒回路における利用側熱交換器と第１膨張弁の間の冷媒配管に接続され、他端が圧縮機の中間圧力部に接続されたインジェクション配管と、インジェクション配管に組み込まれ同インジェクション配管を流れる冷媒量を調整する第２膨張弁と、インジェクション配管に組み込まれ同インジェクション配管を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却部を有するインジェクション回路と、熱源側熱交換器の近傍に配置された送風機を備えたヒートポンプサイクル装置であって、送風機の回転によって熱源側熱交換器を通過した空気が冷媒冷却部を通過するように、冷媒冷却部が配置されている。

また、冷媒冷却部が、熱源側熱交換器の風下側に固定される。

本発明のヒートポンプサイクル装置は、吐出冷媒温度の過昇を抑制することができる。

本発明の実施形態における、ヒートポンプサイクル装置の構成図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面に基づいて詳細に説明する。実施形態としては、床暖房装置やラジエターといった暖房ユニットや貯湯タンク等の負荷端末を有し、利用側熱交換器である水冷媒熱交換器で水と冷媒との熱交換が行われるヒートポンプサイクル装置を例として説明することとする。尚、本発明は以下の実施形態に限定されることはなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

図１は、本発明によるヒートポンプサイクル装置の構成を示している。このヒートポンプサイクル装置１００は、圧縮機１、四方弁２、冷媒と水との熱交換を行う水冷媒熱交換器３、第１膨張弁４、熱源側熱交換器５、アキュムレータ６が順に冷媒配管１１で接続されて冷媒回路１０が構成されており、四方弁２により冷媒回路１０における冷媒循環方向を切り換えるように構成されている。圧縮機１、四方弁２、第１膨張弁４、熱源側熱交換器５、アキュムレータ６は室外機９に設けられる。

冷媒回路１０には、一端が冷媒回路における水冷媒熱交換器３と第１膨張弁４の間の冷媒配管１１に、他端が圧縮機１の中間圧力部１ａに各々接続されたインジェクション配管１４と、インジェクション配管１４に組み込まれ同インジェクション配管１４を流れる冷媒量を調整する第２膨張弁２２と、インジェクション配管１４に組み込まれ同インジェクション配管１４を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却部８を有するインジェクション回路２１が設けられている。冷媒冷却部８は、インジェクション配管１４を複数回折り返して形成されている。

図示は省略するが、室外機９の筐体には、室外機９の筐体内部に外気を取り込むための吸込口と、熱源側熱交換器５で冷媒と熱交換を行なった外気を筐体外部へ放出するための吹出口が備えられ、吸込口と吹出口を連通させる筐体内部の空間が外気の通風路となっている。この通風路には、吸込口から吹出口へと向かう方向、つまり、通風路での外気の流れにおける風上側から風下側に向かう方向に、熱源側熱交換器５、送風機７、図示しないベルマウス、冷媒冷却部８が順に配置されている。冷媒冷却部８は上述したベルマウスや、吹出口に取り付けられる図示しないファンガードに固定される。

ヒートポンプサイクル装置１００で高温の給湯が要求されるときや、暖房運転時あるいは給湯運転時の外気温度が低い時など、要求される運転能力が高く圧縮機１の回転数もこれに応じて高くなるときは、第２膨張弁２２の開度を圧縮機１の回転数に応じた開度として、圧縮機１に液インジェクションを行う。上記以外の場合、つまり、要求される給湯温度が低い場合や、暖房運転時あるいは給湯運転時の外気温度が高い等、要求される運転能力が低く圧縮機１の回転数も低いときは、第２膨張弁２２を全閉として圧縮機１に液インジェクションを行なわない。

冷媒配管１１における圧縮機１の吐出口付近には、圧縮機１から吐出された冷媒の温度（吐出冷媒温度）を検出するための吐出冷媒温度センサ５１が備えられている。また、圧縮機１の密閉容器の下方には、圧縮機１の温度を検出するための圧縮機温度センサ５２が備えられている。

冷媒配管１１における水冷媒熱交換器３と第１膨張弁４との間には、暖房運転時あるいは給湯運転時に第１膨張弁４に流入する冷媒温度を検出する冷媒温度センサ５３が、また、冷媒配管１１における第１膨張弁４と熱源側熱交換器５との間には、熱源側熱交換器５の温度を検出する熱交温度センサ５４が、それぞれ備えられている。

熱源側熱交換器５の近傍には、外気温度を検出するための外気温度センサ５５が設けられている。また、冷媒配管１１における圧縮機１の吐出側（四方弁２と水冷媒熱交換器３との間）には、凝縮圧力検出手段である圧力センサ５０が備えられている。

水冷媒熱交換器３には、冷媒配管１１と水配管１６が接続されており、水配管１６には負荷端末４０に水を循環させるための循環ポンプ３０が設けられ、循環ポンプ３０の駆動により冷媒と熱交換された水が図１に示す矢印８０の方向に循環するように構成されている。また、水配管１６における水冷媒熱交換器３の水の入口側には、水冷媒熱交換器３に流入する水の温度である戻り温度を検出する戻り温度センサ５６が、水配管１６における水冷媒熱交換器３の水の出口側には、水冷媒熱交換器３から流出する水の温度である往き温度を検出する往き温度センサ５７が、それぞれ備えられている。

以上説明した構成の他に、ヒートポンプサイクル装置１００には制御手段６０が備えられている。制御手段６０は、各温度センサで検出した温度や圧力センサ５０で検出した凝縮圧力を入力し、あるいは、図示しないリモコン等による使用者からの運転要求に応じて、圧縮機１や循環ポンプ３０の駆動制御、四方弁２の切り換え制御、第１膨張弁４および第２膨張弁２２の開度調整等といった、ヒートポンプサイクル装置１００の制御を行う。

次に、本発明のヒートポンプサイクル装置１００における、冷媒回路１０の動作やその作用・効果について、図１を用いて説明する。なお、以下の説明では、冷媒回路１０が図１に示す暖房サイクルとされてヒートポンプサイクル装置１００が給湯運転を行う場合であって、負荷端末４０で要求される運転能力が高い、例えば、水冷媒熱交換器３から流出する水の温度である往き温度を高温（例えば、９０℃）とするために、高い回転数（例えば、１２０ｒｐｓ）で圧縮機１を駆動する場合を例に挙げて説明する。

また、図１では、ヒートポンプサイクル装置１００を、冷媒回路１０を暖房サイクルとして運転したときの冷媒流れ方向を矢印７０で、第２膨張弁２２を開いてインジェクション配管１４に冷媒が流れた場合の冷媒流れ方向を矢印９０で、それぞれ示している。尚、ヒートポンプサイクル装置１００において、冷媒回路１０を冷房サイクルとして運転する除霜運転時の冷媒流れ方向は、圧縮機１と四方弁２との間を除いて暖房サイクルとして運転したときの冷媒流れ方向（矢印７０の方向）と逆方向となるが、除霜運転時の冷媒流れ方向の記載は省略している。なお、除霜運転時は、第２膨張弁２２が全閉とされる。

使用者が負荷端末４０の図示しないリモコン等を操作して給湯運転開始を指示すると、制御手段６０は、循環ポンプ３０を回転させて水冷媒熱交換器３と負荷端末４０との間で水を循環させるとともに、冷媒回路１０が暖房サイクルとなるように四方弁２を切り換え、圧縮機１を起動してヒートポンプサイクル装置１００の給湯運転を開始する。圧縮機１を起動すると、冷媒が冷媒回路１０を矢印７０で示すように流れる。すなわち、圧縮機１より吐出された高温高圧の冷媒は、四方弁２を介して水冷媒熱交換器３に流入する。水冷媒熱交換器３に流入した高温高圧の冷媒は、水配管１６内を循環して水冷媒熱交換器３に流入した水と熱交換を行なって凝縮し、水冷媒熱交換器３から流出する。水冷媒熱交換器３から流出した冷媒は、第１膨張弁４を通過する際に減圧されて熱源側熱交換器５に流入する。熱源側熱交換器５に流入した冷媒は、外気と熱交換を行なって蒸発する。熱源側熱交換器５から流出した冷媒は、四方弁２を介して圧縮機１に吸入されて再び圧縮される。

次に、水配管１６における水の流れについて説明する。循環ポンプ３０の駆動により水配管１６を循環する水は図１の矢印８０で示すように流れる。すなわち、水配管１６を流れて水冷媒熱交換器３に流入した水は、冷媒回路１０内を循環して水冷媒熱交換器３に流入した冷媒と熱交換を行なって加熱されて温水となり、水冷媒熱交換器３から流出する。水冷媒熱交換器３から流出した温水は負荷端末４０に流入し、負荷端末４０で放熱して負荷端末４０から流出する。負荷端末４０から流出した水は循環ポンプ３０を介して再び水冷媒熱交換器３に流入する。

使用者がリモコン等を操作して高い運転能力を要求した場合、圧縮機１の吐出冷媒温度が高くなるため、制御手段６０は、圧縮機１の吐出冷媒温度を下げる目的で圧縮機１に液インジェクションを行なう。具体的には、制御手段６０は、圧縮機１の回転数あるいは吐出冷媒温度に応じて第２膨張弁２２の開度を調整する。これにより、図１の矢印９０で示すように、インジェクション配管１４内に第２膨張弁２２の開度に応じた量の冷媒が流入する。流入した冷媒は、冷媒冷却部８を通過する際に、熱源側熱交換器５で冷媒と熱交換を行なって外気より温度が低下した空気によって冷却される。冷媒冷却部８で冷却された冷媒は、インジェクション配管１４を流れて中間圧力部１ａを介して圧縮機１にインジェクションされる。

以上説明した通り、本発明のヒートポンプサイクル装置１００は、圧縮機１にインジェクションされる冷媒が、インジェクション回路２１の冷媒冷却部８で外気温度より低い空気と熱交換を行なって冷却されるので、負荷端末４０で高い能力が要求されて圧縮機１が高い回転数で駆動する場合であっても、圧縮機１を効果的に冷却できる。従って、圧縮機１の吐出冷媒温度を低下させて上限値を超えないようにすることが出来る。

なお、冷媒冷却部８は以上説明した通りの構成に限定したものではなく、冷媒冷却部８を構成するインジェクション配管１４の一部に図示しないフィンを取り付けて熱交換効率を上げるようにしてもよい。また、本実施例では、室外機９の図示しない筐体内部にある通風路での外気の流れにおける風上側から風下側に向かう方向に、熱源側熱交換器５、送風機７、冷媒冷却部８の順に配置しているが、本発明はこれに限定したものでなく、風上側から風下側に向かう方向に、送風機７、熱源側熱交換器５、冷媒冷却部８の順に配置する、というように冷媒冷却部８が熱源側熱交換器５よりも風下側に配置されていればよい。また、本実施例では、ベルマウスやファンガードに冷媒冷却部８を取り付ける場合を説明したが、これに限るものではなく、例えば熱源側熱交換器５の風下側の面に固定してもよい。

また、本実施例では貯湯タンクに溜められるお湯を高温にする給湯運転を例に説明したが、本発明のヒートポンプサイクル装置１００はこの場合に限定したものではなく、断熱性の低い家屋に設置されたラジエターなどの暖房ユニットを負荷端末４０として、負荷端末４０に高温のお湯を流して室内の暖房運転を行う場合など、水冷媒熱交換器３から流出する水の温度（往き温度）が高温になるような暖房運転にも適用することができる。

１圧縮機
１ａ中間圧力部
２四方弁
３水冷媒熱交換器
４第１膨張弁
５熱源側熱交換器
６アキュムレータ
８冷媒冷却部
１０冷媒回路
１４インジェクション配管
２１インジェクション回路
２２第２膨張弁
３０循環ポンプ
４０負荷端末
５０圧力センサ
５１吐出冷媒温度センサ
５２圧縮機温度センサ
５３冷媒温度センサ
５４熱交温度センサ
５５外気温度センサ
５６戻り温度センサ
５７往き温度センサ
６０制御手段
７０冷媒流れ
８０水流れ
９０インジェクション配管での冷媒流れ
１００ヒートポンプサイクル装置

Claims

圧縮機と、利用側熱交換器と、第１膨張弁と、熱源側熱交換器とを順次冷媒配管で接続した冷媒回路と、
一端が前記冷媒回路における前記利用側熱交換器と前記第１膨張弁の間の前記冷媒配管に接続され、他端が前記圧縮機の中間圧力部に接続されたインジェクション配管と、同インジェクション配管に組み込まれ同インジェクション配管を流れる冷媒量を調整する第２膨張弁と、同インジェクション配管に組み込まれ同インジェクション配管を流れる冷媒を冷却する冷媒冷却部を有するインジェクション回路と、
前記熱源側熱交換器の近傍に配置された送風機を備えたヒートポンプサイクル装置であって、
前記送風機の回転によって前記熱源側熱交換器を通過した空気が前記冷媒冷却部を通過するように、同冷媒冷却部が配置されるとともに前記熱源側熱交換器の風下側の面に固定されており、前記熱源側熱交換器が蒸発器として機能するときに、前記第２膨張弁が開かれることを特徴とするヒートポンプサイクル装置。